集成电路版图设计基础第11章：封装

1、school of phyebasics of ic layout design1第十一章第十一章 封装封装 packaging 制造封装制造封装 压焊方法压焊方法 封装中的问题封装中的问题 尺寸估计尺寸估计 芯片最终尺寸的计算芯片最终尺寸的计算 填补压焊块之间的空隙填补压焊块之间的空隙school of phyebasics of ic layout design2集成电路制造过程集成电路制造过程school of phyebasics of ic layout design3集成电路制造工艺过程集成电路制造工艺过程school of phyebasics of ic layout desi

2、gn4封装封装school of phyebasics of ic layout design5封装封装 DIP：dual in-line package，双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP 是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。 PGA：pin grid array，阵列引脚封装。插装型封装之一，其底面的垂直引脚呈陈列状排列。封装基材基本上都采用多层陶瓷基板。在未说明情况下，多数为陶瓷PGA，用于高速LSI 电路。成本较高。school of phyebasics of ic layout design6封

3、装封装 QFP: quad flat package，四侧引脚扁平封装。表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。基材有陶瓷、金属和塑料三种。从数量上看，塑料封装占绝大部分。当没有说明时，多数情况为塑料QFP。塑料QFP是最普及的多引脚LSI封装。不仅用于微处理器，门陈列等数字逻辑LSI电路，而且也用于VTR 信号处理、音响信号处理等模拟LSI电路。 PLCC：plastic leaded chip carrier，带引线的塑料芯片载体。表面贴装型封装之一。引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品。 Leadless Carrier：无引脚芯片载体。指陶瓷基板的四个侧面只有

4、电极接触而无引脚的表面贴装型封装。是高速和高频IC用封装。school of phyebasics of ic layout design7封装封装各种封装类型示意图school of phyebasics of ic layout design8 封装问题应当是在你甚至还没有开始芯片版图设计之还没有开始芯片版图设计之前前就要考虑的问题。 封装实际上是平面布局过程平面布局过程的一部分一部分，对芯片封装封装的选择决定决定了平面布局方案平面布局方案。 芯片选择的封装对对I/O压焊块布置压焊块布置有很大的影响。 现在已有数百种数百种不同类型的封装。封装封装school of phyebasics o

5、f ic layout design9 封装好的芯片，是一个塑料或陶瓷的黑盒子黑盒子，边上伸出一排排金属引线金属引线，用这些金属引线连到电路板电路板上。压焊方法压焊方法orientationslotpin1plastic orceramicpackagepinsschool of phyebasics of ic layout design10 内部是chip，chip外围布满pads，利用压焊线bonding wires将pads连接到pins。 bonding wires通常是很细的铝铝线或金金线。导线的粗细由负责封装的人决定，可以各不相同。压焊方法压焊方法school of phyeba

6、sics of ic layout design11 压焊块和封装引线的连接可以采用以下几种方法： 超声楔形压焊 ultrasonic wedge bonding 超声球形压焊 ultrasonic ball bonding 倒装芯片技术 flip chip technology 多层封装 multi-tier packaging压焊方法压焊方法school of phyebasics of ic layout design121. 超声楔形压焊：超声楔形压焊： 利用强力强力和超声波超声波。 将导线放在压焊块的上面，非常小心地保持在原位。使一个以超声波速度振荡超声波速度振荡的楔形小金属楔形小金

7、属冲压头向下冲压到导线和压焊块上。 楔形金属头的强大压力强大压力和振荡振荡产生了热把导线熔化熔化在压焊块上。 压焊线的另一端则伸向封装引线，在那里楔形金属又把导线压焊上。 然后把剩余的导线剪断剩余的导线剪断。 （图参见P185”图9-4”）压焊方法压焊方法school of phyebasics of ic layout design132. 超声球形压焊：超声球形压焊： 给导线加上一个高电压脉冲高电压脉冲使金属线头在没有碰到压没有碰到压焊块之前焊块之前就已经熔化熔化。线头一熔化就用一个以超声速超声速度振荡度振荡的小套管把它定位在压焊块上。当把导线压焊在压焊块上时小套管的振荡振荡进一步提供了能

8、量来加热加热导线。 由于不用楔形物来捶击，不会出现不会出现诸多机械机械方面的问问题题。导线也不会也不会像楔形压焊时那样留下留下一个伸出来的小尾巴小尾巴。 （图参见P186”图9-5”）压焊方法压焊方法school of phyebasics of ic layout design143. 倒装芯片技术：倒装芯片技术： 作为芯片完成时的最后一个步骤，在每一个芯片的压压焊块焊块上放一个焊锡焊锡。 然后把芯片反转反转过来。接着把它们整个加热整个加热使那些小焊锡熔化熔化。 金属引线已经在封装底部预先确定好的位置预先确定好的位置上，并已经准备好等着焊锡点倒置在它们上面。 倒装芯片技术不需要任何导线，所以

9、可以把这些倒装芯片的压焊块放在芯片上所希望的任何位置所希望的任何位置上。 作为封装通路的金属条不会弯曲不会弯曲、下垂下垂或像用其他方法时那样相互之间或和芯片其他导线之间相互影响相互影响。 （图参见P187”图9-6、图9-7、图9-8”）压焊方法压焊方法school of phyebasics of ic layout design154. 多层封装：多层封装： 这种封装有一排以上一排以上的金属连接引线层金属连接引线层。 下层较短下层较短的导线会绷得很紧绷得很紧而不会不会和离得较远的上层导线相互影响相互影响。各层之间的间隔足以保证不会有导线短路。 这种技术称为“错位压焊错位压焊（offset

10、bonding）”，这两排压焊块称为“错位压焊块错位压焊块”。 （图参见P188”图9-9、图9-10”）压焊方法压焊方法school of phyebasics of ic layout design161. 总体外貌：总体外貌： make it look nice !封装中的问题封装中的问题school of phyebasics of ic layout design172. 45度规则：度规则： 位于拐角处的压焊线和旁边的压焊块靠得很近靠得很近，这样很容易引起短路短路。 压焊线与芯片边缘所形成的夹角应保持在45度角之内。称之为“45度规则度规则”。封装中的问题封装中的问题short c

11、ircuit45o45oschool of phyebasics of ic layout design183. 使使si的重叠最小：的重叠最小： 最边上的压焊块没有放在芯片的角上，所以压焊块和硅片重叠的部分重叠的部分太多。 这样压焊线可能会下垂下垂或掉下来掉下来，造成电路短路短路。所以必须尽可能缩短缩短未使用硅片部分之上的压焊线。封装中的问题封装中的问题silicon overlapschool of phyebasics of ic layout design194. 导线长度：导线长度： 导线很长长的话，压焊线会垂垂下来。封装中的问题封装中的问题too longschool of phy

12、ebasics of ic layout design205. 压焊块的分布：压焊块的分布： 不要将所有的压焊块都挤在一起挤在一起并放在芯片的一边。 应把它们分散开分散开。尽可能使压焊线相互离得开一些。这样可以减少它们相互干扰相互干扰的风险。封装中的问题封装中的问题school of phyebasics of ic layout design211. 压焊块限制设计：压焊块限制设计： pad-limited design 对封装的选择在很大程度上取决于芯片的尺寸。 压焊块限制设计：根据信号数量所需要的压焊块数目压焊块数目来确定确定芯片的最小尺寸最小尺寸。 弄清楚压焊块之间压焊块之间所要求的最

13、小间距最小间距，把这些压焊块尽可能靠紧尽可能靠紧排列在一个矩形中。 为什么没有利用各个角落的空间？ 如果在压焊块之间采用比正常大的间隙，那么利用角落空间是可能的。但因采用的是最小间距最小间距，角落两边的压焊块会和角上的压焊块靠得太近靠得太近，没有地方没有地方再在角落两边的压焊块之间走一条线走一条线通向这个角上的压焊块。尺寸估计尺寸估计school of phyebasics of ic layout design222. 内核限制设计：内核限制设计： core-limited design 如果需要的I/O压焊块的数量很大压焊块的数量很大，可以认为压焊块压焊块限制设计限制设计是一个很好的粗略估

14、计尺寸的方法。 如果与所需要的电路大小相比，需要的压焊块并不多压焊块并不多的话，这时使用“内核限制设计内核限制设计”或“电路限制设计电路限制设计”来粗略估计尺寸。尺寸估计尺寸估计school of phyebasics of ic layout design23 分割芯片时，把已经加工好了的圆片放在一个真空卡真空卡盘盘上或粘在某些垫衬材料垫衬材料上，使用切割机切割机在芯片间上下切割。 常见的切割机是一个“圆盘锯圆盘锯”。锯片把芯片切割时会削去一窄条材料，可能是50、60或100um宽。芯片最终尺寸的计算芯片最终尺寸的计算chipchipschool of phyebasics of ic la

15、yout design24 chip周围是“衬底接触衬底接触”，或称“防破损保护环防破损保护环（crack guard ring）”，防止防止芯片边缘边缘发生破损破损殃及内部殃及内部的电路。芯片最终尺寸的计算芯片最终尺寸的计算chipchipguard ringsschool of phyebasics of ic layout design25 A：有效芯片尺寸 active die size B：划片余量 scribe margin C: 划片步长 step and repeat distance芯片最终尺寸的计算芯片最终尺寸的计算chipchipACBdicing channelsawbladeschool of phyebasics of ic layout design26 最终芯片尺寸 = 有效尺寸+ 2（划片余量）+ 切割通道宽 - 锯片厚度例：根据下列信息计算芯片要求的最终尺寸。 有效面积 = 2100um X 2100um 划片余量 = 15um 切割通道宽 = 120um 锯片厚度 = 50um